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第五章
光电成象器件
光电成象器件是指能够输出图像信息的一类器件 。 它包括真空成象器件和固体成象器件两大类。 真空成象器件又包括：变象管、象增强器、摄象 管。变象管是使不可见光图像变为可见光图像的 器件，象增强器是使微弱光图像变为可见光图像 的器件，摄象管是使光学图像变为电视信号的器 件。 固体成象器件是通过特殊的结构与电路以自扫描 的方式读出电信号再通过显示器件成象的器件。
电子-空穴对在反向电场作用下分别到达靶的两侧，使 得靶的扫描面上的电位升高，形成与入射图像亮暗对 应的正电位图像，这就是图像的存储。
图像信号的扫描输出是由电子枪发射扫描电子束来完 成的。电子枪包括灯丝、热阴极、控制栅极、加速电 极与聚焦电极、靶网电极和管外的聚焦线圈、偏转线 圈、校正线圈。它的作用是产生热电子，并使它聚焦 成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。聚焦 电极的电压可调，它与加速电极形成的电子透镜起辅 助聚焦作用。靶网电极使靶前形成均匀电场，因而电 子束在整个靶面都垂直上靶。
三、摄像器件的性能参数
1、灵敏度 摄像器件的灵敏度定义为：在 2856K 色温标准光源单位 光通量（ lm）或单位辐射通量（W）的照射下，器件所 产生的输出信号电流。单位为μA/lm或mA/W。 工程中，常用能产生正常电视图像所需的最低光照度来 表征器件的灵敏度。显然，它越小摄像器件越灵敏。 2、光电转换特性 摄像器件输出的光电流与入射的光照度之间的函数关 系，称为其光电转换特性。通常表示为： I p kL
磁聚焦型象管结构示意图： 管外的线圈用来使管内产生平行 于管轴的磁场，以形成磁透镜。 磁聚焦的优点是聚焦作用强，容 易调节，也容易保证边缘像差。
缺点是管子外有长螺旋线圈和直流激磁等，使整个设 备的尺寸、重量增加，结构较复杂。 3. 荧光屏 荧光屏的作用是将电子动能转换成 光能。对荧光屏的要求是不仅应具 有高的转换效率，而且屏的发射光 谱要同人眼或与之耦合的下级光电 阴极的响应一致。 常用荧光屏发光材料的光谱发射:
光电成象器件在国防、工业、新闻、医学、天文 学等领域获得广泛的应用，具有很强的生命力。
§5.1 变象管和象增强器
变象管是把不可见光图像变为可见光图像的真空光电管 ，象增强器是把亮度很低的光学图像增强到足够亮度图 像的真空光电管。统称它们为象管。 象管通常有三个基本部分，即光电阴极、电子光学系统 、荧光屏。如图所示。 光电阴极使亮度很 低的光学图像或不 可见光学图像转换 成光电子图像，在 超高真空管内，这 些光电子从外部高 压电源获取能量，
一、结构原理
摄像管基本结构如图：
光电发射型摄像管图像质量高，惰性极小，但结构复 杂，体积大，调整麻烦，所以目前除特殊场合外一般 用得较少。视像管结构简单，体积小，使用方便，在 电视领域中被广泛应用。
摄像管的作用是把入射的光学图像转换为视频信号并 输出，它应具有三个基本功能：光电变换、光电信号 存储和扫描输出。 光学图像投射到摄像管的光敏面上，由于摄像管受照 面的材料具有光电效应，在摄像管的靶面上就建立起 与入射照度分布相对应的电位起伏，这就完成了光电 变换的功能。 扫描装置形成的扫描线按一定的轨迹串行、逐点地采 集这些转换后的电量形成输出信号。 扫描线经过某一点的时间只占扫描整个光敏面所需周 期的极小部分，为了提高检测灵敏度，每个光敏点在 扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积累，这 种功能就是光电信号的积分存储。 尽管摄像管种类繁多，但其工作原理基本相同，下面 以氧化铅（PbO）摄像管为例予以说明。
二、图象增强技术
为了增强图像的亮度，经历了三代象增强器。 1. 第一代像增强器 将几个分立的单级 图像增强管组合起 来，构成级联式图 像增强管。如图： 每个单级管的输入窗和输出窗都是由光纤面板制成， 它的亮度增益可达105。 2. 第二代像增强器 第二代像增强器是用微通道板（Microchannel plates ，MCP）实现单级高增益图像增强。 MCP是一种大面积微通道电子倍增器，它由二次电子 发射系数较高的含铅玻璃制成。
§5.2ห้องสมุดไป่ตู้摄像管
能够输出视频信号的真空光电管称为摄像管。 摄像管的种类很多，按光电变换形式进行分类，基本上 分为两类。 一类是利用外光电效应进行光电转换的摄像管，称光电 发射型摄像管。 属于光电发射型摄像管这一类的有：超正析管、二次电 子导电摄像管（SEC）、分流管、硅靶电子倍增管等。 另一类是利用内光电效应进行光电转换的摄像管，统称 为视像管。 属于视像管这一类的有硫化锑管(Sb2S3)、氧化铅管 (PbO)、硅靶管和异质结靶管等。
二、图象信号的形成 任何一幅图像可以分成许多小的像点，通常称为像素 或像元。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图 像就越清楚。像素的大小由阅读电子束截面决定。
电子枪发射电子束，并在管外聚焦线圈、偏转线圈、校 正线圈产生的磁场的配合作用下，使电子束在靶面正电 位图像上从左至右、从上而下地顺序扫描。
式中，γ 称为光照指数，k为比例系数。 对大部分摄像器件而言， γ 值接近于1。在实际的电视 摄像系统电子线路中，往往专门设置有“伽玛校正电 路”，可选择使 γ 值小于 1 或大于 1 ，以分别抑制背景、 与显示器匹配和增加系统的光动态适应范围。
3、分辨率 分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力。 分辨率通常有两种表示方式，一种是极限分辨率，另一 种是调制传递函数（MTF）。 测量成像器件的极限分辨率时，要用专门的测试卡来进行。 测试卡上有几组不同频率、等线宽的黑白线条。测试卡成 像在摄像管上，输出的信号在监视器上显示出测试卡图像， 然后通过人眼观察。人眼能分辨的最细线条数就是器件的 极限分辨率。 如在水平的光栅宽度内最多能分辨 300对垂直的黑白线条， 则水平分辨率为 600线；若在垂直的光栅高度内最多能分 辨250对水平的黑白线条，则垂直分辨率为500线。
工作时，N层与靶压正极相连，光电二 极管处于反向偏置，靶压几乎全加在 I 层上。景物成像在光电靶上，在光电 二极管内产生光生载流子。在强电场 作用下几乎全部参加导电，因而光电 转换效率高。且因光电二极管反向偏 置，暗电流很小。图像使光电靶上各 点照度不同，在光电二极管内产生不 同数量的电子-空穴对。
并受电子光学透镜聚焦，高速轰击荧光屏，从而产生人 眼可见的相应光学图像。
一、象管基本结构
1.光电阴极 光电阴极是涂覆于光窗内壁的光电发射材料薄膜。常用的 光电阴极有：锑铯光电阴极，多碱光电阴极等。 2.电子光学系统 电子光学系统有电聚焦和磁聚焦两种形式。 静电聚焦型象管结构示意图： 几个圆筒形的电极可形成对光 电子聚焦和加速的电场。但电 聚焦的球面像差较大，画面的 中心部分和边缘部分放大率不 等，图像有失真，光电阴极作 成曲面状能补偿像差。但曲率大时，焦距又要变小，使边 缘部分的分辨率降低。因此，像增强管多采用光纤面板， 使其外侧为平面，内侧为球面，以解决像差问题。
靶面电位变化及视频信号输出可以用等效电路解释：
每个象素可用电阻R和电容C来等 效。C储存信息电荷，R随照度变 化而变化。电子束扫描某一像素 的瞬间，该像素与电源正极和阴 极接成通路。于是C被充电，C的 左侧电位升至VT，右侧为0。 电子束离开象素，C通过R放电，C右侧电位将升高。 t / RD Ci 无光照，放电时C右侧电位为： Vid VT (1 e )
微通道板像增强器的优点是体积小，重量轻，而且由于 微通道板的增益与所加偏压有关，因此可以通过调整工 作偏压来调整增益。另外，微通道板像增强器有自动防 强光的优点，这是因为当微通道板工作在饱和状态时， 输入电流再怎么增加而输出仍保持不变，因此，可以保 持荧光屏在强光下不致于被“灼伤”。 微通道板像增强器主要有两种：双近贴式和倒像式。 双近贴式微通道板像增强器结构： 双近贴式光电阴极、微通道板 、荧光屏相互靠得很近。一般 光电阴极与微通道板的距离小 于0.1mm，微通道板与荧光屏 之间的距离小于0.5mm。 光电阴极发射的光电子直接打到MCP上。这种管子体积 小，重量轻，使用方便，但像质和分辨率较差。
倒像式微通道板像增强器结构如图：
倒像式是在管内荧光屏前插入 微通道板，微通道板的输出端 与荧光屏之间仍采用近贴式。 由光纤面板上的光电阴极发射 的光电子图像，经静电透镜聚 焦 在 MCP 上 ， MCP 将 电 子 图 倍增后，在均匀电场作用下直接投射到荧光屏上。因为 像 在荧光屏上所成的像相对于光电阴极来说是倒像，故称 为倒像管。这种管子具有较高的分辨率和像质。 3. 第三代图像增强器 第三代图像增强器是第二代像增强器的微通道板结构配 以负电子亲和势光电阴极。负电子亲和势光电阴极不仅 在可见光范围有较高的灵敏度，而且在近红外区也有比 银氧铯光电阴极高的量子效率，因此，这种图像增强器 能同时起到光谱变换和微光增强的作用。
极限分辨率表示法很简单，但带有很大的主观性，因为它 是依靠观察者的眼睛来分辨的。同时它也不能反映摄像系 统各部分对分辨率的影响。为了客观地表示摄像管的分辨 率，一般采用调制传递函数。
用黑白相间的线条光栅调制入射到摄像器件上的光通量， 得到调制信号。滤去高次谐波，得到正弦信号。 设正弦信号的极大值为 Amax，极小值为 Amin，则调制度 M（也称为对比度）定义为： Amax Amin Am M Amax AMin A0
微通道板的结构如图： 微 通道 板 是一 块 被加 工成薄片（ 0.4 至几个 毫 米） 的 空芯 玻 璃纤 维二维阵列。 每个空芯管内径 6~50μm ，长径比约为 40/1~80/1 ，薄 片端面法线相对于微通道轴心线的偏置角为 5º ~10º 。 通道内壁覆盖一层高阻二次电子发射膜。在微通道板 的两端加上高的直流电压（约 kV）后，在每个微管道 内即形成极强的电场。 当光敏面发射的电子进入微管道后，在强电场作用下 与管壁多次碰撞，由于高的二次电子发射（二次发射 系数δ ﹥1），使得 n次轰击内壁后在输出端会得到 δn 个电子，从而实现了电子倍增作用。一般10kV的MCP 可得到105~106的电子增益。
氧化铅摄像管结 构示意图： 被摄物经物镜成 像在光电靶上。 光电靶既能完成 光电变换又能存 储信号，结构: 靶向着景物的一侧为信号极，它是喷涂在玻璃板上的一 层透明金属氧化物导电层，如氧化亚锡信号板，具有较 高的透射率和电导率。信号极引出的电极为信号电极， 通过负载电阻施加靶压。靶的另一侧为光敏层。光敏层 由三层很薄的半导体材料组成。与透明导电膜相连接的 是N型氧化铅半导体，称N层；中间一层是氧化铅本征半 导体，称 I层；受电子束扫描的一层是氧化铅 P型半导体 ，称P层。可见，氧化铅靶具有PIN光电二极管结构。
暗电阻RD很大。放电时间近似等于帧周期Tf。则C右侧 电位最大值： Vidm VT (1 eT f / RDCi ) T f / Ri Ci ) 有光照，放电时C右侧最高电位为：Vim VT (1 e 这样，由于光照产生的有效信号为： Vs Vim Vidm 这种信号电压引起的充电电流在RL产生压降输出信号
调幅波信号在传输的过程中，调制度通常受到衰减，且 随着线条的空间频率的增加而降低。用上述方法测出调 幅波信号输入、输出的调制度Mi、Mo，则定义为： Mo MTF 100% Mi 为调制传递函数。MTF能客观地表示器件对不同空间频 率目标的传递能力。用不同空间频率的线条光栅反复进 行上述测试，就能得到MTF与空间频率的关系曲线。
在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴 极接成通路。这个像素（光电二极管结构）的光电流由 P→N，流过负载，产生负极性图像电压信号输出（信号 阅读），同时扫描电子束使 P 层扫描面的电位降至阴极 电位（图像信号擦除）。这样，电子束在从左至右，由 上而下对正电位图像的顺序扫描中，就把随空间、时间 而变化的图像信息转换成随时间变化的电信号，这就是 视频信号。